Розділ 10 магній і сплави на його основі

10.1. Магній, його властивості

Магній - лужноземельний метал II групи періодичної системи елементів Д. Менделєєва. Атомна вага - 24,31, колір - світло-сірий. Характерною властивістю магнію є мала густина (1,74 г/см³). Температура плавлення - 650 °С.

Кристалічна ґратка гексагональна (а=3,203; С=5,2002А). Тепло­провідність магнію значно менша порівняно із алюмінієм (0,37 кал/(см·с·°С)), а коефіцієнти лінійного розширення майже однакові (26,1·10·⁶C-1¹ при 20... 100 °С). Модуль пружності Е=44 ГПа.

У результаті взаємодії із киснем утворюється оксид магнію MgO, який має суттєво менший об'єм, порівняно із чистим металом, тому магній повинен відносно швидко окислюватись.

Незважаючи на це, до температури 450 °С оксидна плівка на по­верхні магнію має захисні властивості, а при більш високих температурах вона пухка та легко пропускає кисень до поверхні металу. При нагріванні на повітрі до 623 °С магній запалюється, чим і пояснюється його використання у піротехніці та хімічній промисло­вості. Волога магнієва пудра запалюється при 360 °С. Тому з метою уникнення запалювання виливків при термообробці їх очищують від магнієвого пилу, стружки та загусенців.

Найбільше прискорюють окислення магнію домішки нікелю та міді, меншою мірою - галій, цинк, олово та алюміній. Берилій зменшує швидкість окислення магнію. Він відносно магнію є поверхнево-активним елементом і тому концентрується у поверхневих шарах оксидної плівки. Оксид берилію утворюється зі збільшенням об'єму, на відміну від оксиду магнію, і тому сприяє підвищенню захисних властивостей плівки.

Введення близько 0,02 % Be різко зменшує окислюваність магнію та його сплавів при нагріванні на повітрі до самої точки плавлення.

При температурі термічної обробки магній та сплави на його основі не реагують з азотом.

Магній інтенсивно взаємодіє із воднем. У рідкому магнії при температурі кристалізації розчиняється близько 50 см3/100 г водню, а у твердому - близько 20 cм^з/l00 г.

Магній легко розчиняється у всіх розведених мінеральних кислотах, але стійкий у гасі, бензині, мінеральних маслах, спирті, фреоні.

Магній і його сплави дуже електронегативні і тому інтенсивно кородують в електролітах у контакті із іншими металами.

Із холодною водою магній практично не взаємодіє, у морській воді піддається корозії.

Залізо, мідь, кобальт, кремній та нікель різко погіршують корозій­ну стійкість магнію, а цирконій і марганець підвищують його корозійну стійкість.

Способи захисту магнію і його сплавів від корозії базуються на нанесенні на поверхню виробів тонких щільних оксидних плівок чи покритті поверхні виробів лакофарбовими чи епоксидними захисними шарами.

Технічний первинний магній випускається трьох марок - Мг96, Мг95 і Мг90 (вміст магнію відповідно 99,96; 99,95 і 99,90 %).

Механічні властивості литого магнію: sв= 110 МПа; s0,2 =25 МПа, б=8 %, однак вироби із магнію не виготовляють, а використовують його для виробництва сплавів.

14. Поняття про виробництво магнію

1. Магнієві руди. Як сировину для виробництва магнію ви­користовують магнезит, доломіт, карналіт і бішофіт.

Магнезит — природний карбонат магнію MgCO₂ — мі­стить до 28,8% Mg. Перш ніж переробляти, його випалюють при температурі 800…900°С, щоб мати каустичний магнезит — окис магнію:

MgCO₃ MgO+CO₂.

Доломіт— подвійний карбонат магнію і кальцію MgCO₃ - СаСО₃, в якому вміст окису магнію становить 14— 22%. Підготування доломіту полягає в механічному збагаченні і випалюванні його. Під час випалювання відбувається така реакція:

MgCO₃ · СаСО₃ → MgO · СаО + 2СО₂.

Карналіт — це подвійний хлорид магнію і калію MgCl2X XKCl·6H2O. Вміст хлористого магнію в ньому становить 12— 30%. Природний карналіт механічно збагачують і гідрохімічно обробляють, внаслідок чого утворюється штучний карналіт MgCl₂-6H₂O.

Бішофіт — шестиводний хлорид магнію MgCl2 · 6Н2О, який містить до 12% Mg. Бішофіт добувають, випаровуючи морську воду або розсіл озер.

2. Виробництво магнію здійснюють електролітичним і тер­мічним способами.

Електролітичний спосіб складається з таких опе­рацій: виділення чистих безводних солей магнію, електроліз Їх у розплавленому стані, рафінування магнію.

Залежно від складу сировинних матеріалів хлорид магнію добувають зневоднюванням кристалогідратів хлористих солей магнію або хлоруванням кисневих його сполук. Штучний карна­літ і бішофіт зневоднюють у дві стадії. Перша здійснюється в трубчастій обертовій печі завдовжки 40 м і діаметром 3 м, де при повільному нагріванні руди до 220—420° С випаровується основна маса води. Друга стадія — зневоднення і виділення роз­плавленого MgCl₂ — відбувається в електричних печах при тем­пературі 750—800° С. Магнезіт і доломіт, які містять кисневі спо­луки магнію, хлорують. Для цього, подрібнивши ці руди, перемішують їх з графітом, пресують у брикети і завантажують в електропіч, де при температурі 800—900° С обробляють хло­ром, що й приводить до утворення MgCl₂.

Електроліз хлоридів магнію проводять у герметичних ван­нах. Ванну заповнюють електролітом з розплаву MgCl₂ і без­водних хлористих солей КСl, NaCI та СаСІ2. Катоди і аноди виготовлені відповідно із сталі і графіту. Під час електролізу, що відбувається при Температурі 700—750° С, MgCI₂ розкладається і в катодному просторі виділяється розплавлений магній, який спливає на поверхню електроліту. В анодному просторі при цьому виділяється хлор, який відсмоктується через трубо­провід. Катодний і анодний простори відокремлені один від одного вогнетривкою діафрагмою. Магній-сирець, який утворив­ся, відсмоктують вакуумним ковшем з катодного простору і відправляють на рафінування.

Рафінування проводять у тигельних печах, де магній-сирець переплавляють із спеціальними флюсами. Проте найкраще очи­щають (до 99,99% Mg) магній сублімацією в глибокому ваку­умі (13—126 н/м², або 0,1—0,2 мм рт. ст.) при температурі 600° С. Після рафінування магній переплавляють і розливають у злитки.

Термічний спосіб виробництва магнію — це віднов­лення його з окису за допомогою вуглецю, кремнію або карбіду кальцію при високих температурах і глибокому вакуумі. Вироби лений магній відправляють на рафінування.